Очень давно хотелось изготовить солнечный параболический концентратор. Прочитав массу литературы по изготовлению формы для параболического зеркала, я остановился на простейшем варианте - спутниковой тарелке. Спутниковая тарелка имеет параболическую форму, которая собирает отраженные лучи в одной точке.
За основу присмотрел Харьковские тарелки "Вариант". По приемлимой для меня цене мог приобрести только 90 сантиметровое изделие. Но цель моего опыта - высокая температура в фокусе. Для достижения хороших результатов необходима площадь зеркала - чем больше, тем лучше. Поэтому тарелка должна быть 1,5м, а лучше 2м. В ассортименте Харьковского производителя есть данные размеры, однако изготовлены они из алюминия, и соответственно цены заоблачные. Пришлось нырнуть в интернет, в поисках б/у изделия. И вот в Одессе, строители разбирая какой-то объект, предложили мне спутниковую тарелку размерами 1,36м х 1,2м., изготовленную из пластика. Немного не дотягивала до моих пожеланий, однако цена была хорошей, и я заказал одну тарелку.
Получив через пару дней тарелку, обнаружил, что изготовлена она в США, имеет мощные ребра жесткости (я переживал,
достаточно ли крепкий
корпус, и не поведет ли его после наклейки зеркал), и крепкий механизм ориентирования с множеством настроек.
Также приобрел зеркала, толщиной 3мм. Заказал 2 кв.м. - немного с запасом. Зеркала продаются в основном толщиной 4 мм., нашел троечку, чтобы легче было нарезать. Размер зеркал для концентратора решил сделать 2 х 2 см.
После сбора основных комплектующих приступил к изготовлению подставки для концентратора. Нашлось несколько уголков, кусочков труб и профильков. Нарезав по размерам, сварил, зачистил и покрасил. Вот что получилось:
Итак, изготовив подставку, принимаюсь за нарезку зеркал. Зеркала получил размерами 500 х 500 мм. Первым делом разрезал пополам, а потом сеткой 2 х 2 см. Перепробовал кучу стеклорезов, однако сейчас найти в магазинах, хоть что-то толковое, не представляется возможным. Новый стеклорез режет идеально 5-10 раз, и все.... После этого можно сразу выкидывать. Возможно есть какие-то профессиональные, но покупать их надо не в строительных магазинах. Поэтому, если кто-то соберется сделать концентратор из зеркал, вопрос о порезке зеркал самый трудный!
Зеркала нарезаны, тренога готова, приступаю к поклейке зеркал! Процесс долгий и нудный. У меня количество зеркал на готовом концентраторе получилось 2480 штук. Клей выбрал неправильный. Купил специальный клей для зеркал - держит хорошо, но он густой. При наклейке, выдавливая капельку на зеркало и прижимая потом к стенке тарелки, есть вероятность неравномерно прижать зеркало(где-то сильнее, где-то слабее). От этого зеркало может быть приклеено не плотно, т.е. будет направлять свой лучик солнца не в фокус, а около него. А если фокус будет размыт - высоких результатов ждать нечего. Забегая вперед, скажу, что у меня фокус получился размытым (из чего делаю вывод о том, что необходимо было применить другой клей). Хоть и результаты опыта порадовали, но фокус был размером приблизительно около 10 см, а вокруг еще размытое пятно еще по 3-5 см. Чем меньше фокус, тем точнее фокусировка лучей, тем соответственно будет выше температура. На поклейку зеркал у меня ушло почти 3 полных дня. Площадь нарезанных зеркал составила около 1,5кв.м. Был брак, вначале, пока не приспособился - много, позже существенно меньше. Бракованные зеркала составили, наверное, не более 5 %.
Солнечный параболический концентратор готов.
При замерах, максимальная температура в фокусе концентратора составила не менее 616,5 градусов. Солнечные лучи помогли поджечь деревянную доску, расплавить олово, свинцовый грузик и алюминиевую пивную банку. Эксперимент я проводил 25 августа 2015 года в Харьковской области, пгт.Новая Водолага.
В планах на следующий год (а может быть получится и в зимний период) приспособить концентратор для практических потребностей. Возможно для нагрева воды, возможно для выработки электроэнергии.
В любом случае, всем нам природа дала мощнейший источник энергии, надо только научиться им пользоваться. Энергия солнца в тысячи раз перекрывает все потребности человечества. И если человек сможет взять хотя-бы малую часть этой энергии, то это будет величайшим достижением нашей цивилизации, благодаря которому мы сохраним нашу планету.
Ниже представлен ролик, в котором вы увидите процесс изготовления солнечного концентратора на основе спутниковой тарелки, и опыты, которые с помощью концентратора получилось сделать.
Огромное количество свободной энергии солнца, воды и ветра и многого другого из того, что может дать природа, люди используют давно. Для кого-то это хобби, а кто-то не может выжить без приспособлений, которые могут извлекать энергию “из воздуха”. Например в африканских странах солнечные батареи давно стали спасительным спутником для людей, в засушливых деревнях внедряются системы орошения на солнечных батареях, устанавливаются “солнечные” насосы на колодцы и др.
В европейских странах солнце не светит столь ярко, но лето довольно жаркое, и очень жаль, когда дармовая энергия природы пропадает зря. Существуют удачные разработки печей на солнечной энергии, но в них используются цельные или сборные зеркала. Это во-первых дорого, во-вторых утяжеляет конструкцию и поэтому не всегда удобно в эксплуатации, например, когда требуется малый вес готового концентратора.
Интересную модель самодельного параболического солнечного концентратора создал талантливый изобретатель.
Для ее изготовления не нужны зеркала, поэтому она очень легкая и не будет тяжелым грузом в походе.
Для создания самодельного солнечного концентратора на основе пленки требуется совсем немного вещей. Все они продаются на любом вещевом рынке.
1. Самоклеющаяся зеркальная пленка. Она имеет ровную блестящую поверхность и поэтому является прекрасным материалом для зеркальной части солнечной печи.
2. Лист ДСП и такой же по размеру лист оргалита.
3. Тонкий шланг и герметик.
Как сделать солнечную печь?
Сначала из древесно-стружечной плиты нужного вам размера электролобзиком вырезаются два кольца, которые надо приклеить друг к другу. На фото и видео фигурирует одно кольцо, но автор указывает, что позднее он добавил второе кольцо. По его словам, можно было бы ограничиться одним, но пришлось увеличить пространство для формирования достаточной вогнутости параболического зеркала. В противном случае фокус луча будет располагаться слишком далеко. Под размер кольца вырезается круг из оргалита для формирования задней стенки солнечного концентратора.
Кольцо следует приклеить к оргалиту. Обязательно хорошо все промажьте герметиком. Конструкция должна быть полностью герметичной.
Сбоку аккуратно, чтобы были ровные края, проделайте небольшое отверстие, в которое плотно вставьте тонкий шланг. Для герметичности соединение шланга и кольца также можно обработать герметиком.
Поверх кольца натяните зеркальную пленку.
Откачайте воздух из корпуса установки и таким образом сформируйте сферическое зеркало. Шланг загните и зажмите прищепкой.
Сделайте удобную подставку для готового концентратора. Энергии данной установки достаточно, чтобы расплавить алюминиевую банку.
Внимание
! Параболические солнечные отражатели могут быть опасными и могут при неосторожном обращении привести к ожогам и повреждениям глаз!
Посмотрите процесс изготовления солнечной печки на видео.
Использован материал с сайта забацай.ру. Как сделать солнечную батарею – .
Do-it-yourself / DIY
Параболическое зеркало для телескопа-рефлектора при помощи самодельного ЧПУ-станка
Вы видели, сколько сейчас стоит рефлектор с зеркалом диаметром в 18 дюймов (почти 46 см)?
Поэтому мой парк безумных инженерных идей пополняется новым пунктом!
Для создания зеркала нам понадобится много плексигласа или нехрупкого (т.н. вязкого) стекла. Чтобы подобрать материал - надо хорошенько заморочиться, да. Также понадобится три-четыре мощных и точных сервопривода с контроллерами, Arduino и немого радиодеталей. Далее нужен материал для станины, корпуса станка и поворотных деталей. Ну и самое главное - ручная фреза, подходящая для обработки выбранного материала.
Идея в том, чтобы при помощи закрепленной на вращающейся штанге фрезы наносить концентрические канавки с уменьшающимся радиусом и увеличивающейся глубиной при каждом новом круге. Таким образом мы получаем ступенчатую поверхность, близкую к параболоиду вращения, т.к. все изменения положения фрезы и глубины её погружения будут рассчитываться при помощи параболической функции. Далее поверхность покрывается эпоксидной смолой и при помощи быстрого вращения заготовки равномерно распределяется по поверхности, заполняя "ступеньки" и приводя поверхность к максимально близкой к параболоиду.
Основные проблемы, с которыми я точно столкнусь:
- Точность позиционирования
- Выбор материала и фрезы, в случае со стеклом будут сколы, а плексиглас слишком мягкий и не держит форму
- Морока с "замазкой" ступенек эпоксидкой и финальная шлифовка
- Нанесение отражающего слоя. (пылищща, ага)
Забрал наконецто вакуумный коллектор на 20 трубок, буду из них собирать концентратор. 1-на трубка наполненая водой (3л.) нагрелась с 20*С до 68.3*С (кипяток на ощуп) за 2 часа 40 минут. За окном 26 мая, на солнце 42*С в тени 15*С время проведения эксперимента с 16,27 до 18,50 солнце садится...
А в концентраторе замер показал 19 минут! до тех же 68*С. Скорость можно увеличить, увеличив площадь концентратора, но тогда возрастает парусность и ухудшается целостность конструкции...
Площадь концентратора составляет 1,0664м.кв.(62х172см.)
Фокусное расстояние 16см.
Покупаете 1-ну вакуумную трубка, а снимаете с неё как с 7-ми в моём варианте, если считать по площади. Внизу видео одного из первопроходцев, которая натолкнула меня на мой подвиг.
Столкнулся пока с проблемой плохой склейки акрила с клеем для зеркал. Легко отклеилось от основы... Также клей для зеркал очень мягкий и система "гуляет" нужно усиливать конструкцию.
сказал (а):
По совету FarSeer; я расположил ось горизонтально (ориентация восток-запад для зимы). Такое расположение проще в конструктивном плане, ветровые нагрузки меньше, увод (переворот) от осадков тоже проще.
В связи с тем, что свои "совки" я буду размещать горизонтально в направлениях восток-запад, дабы не зацыкливаться на трекерах, пришлось обдумывать, как сделать отбор тепла более эффективным, так как стандартная схема с конденсацией жидкости может в теории не работать, так как нет стёка конденсата вниз и соответственно подъёма пара вверх для отдачи своего тепла. Сделал 2 вида отбора тепла от вакуумной трубки.
Вариант-1 (справа, на фото-1) Родной наконечник (утолщение где собирается пар) активно омывается теплоносителем.
Вариант-2 (среднее, на фото-1) взято 2 трубки одна 10мм. в диаметре, другая 15 мм. в диаметре и вставленны одна в другую, по аналогии рекуператоров, внутренняя не доходит до конца пару см. а наружная в конце заглушена, а сверху эти трубки рассоеденены тройником см. фото. Как показали опыты, между горизонтальной трубкой и стоящей под 45* при температурах около 80* разница была около 5* хотя мне говорили что в горизонтальном положении данная трубка вообще работать не будет!
Жду потепления, чтобы выкопать под стойки ямки, потому что земля ещё мёрзлая и копать её не реально.
Что касается аварийных режимов, уже всё продуманно, стоит бесперибойник на 1.5 Квт типа Smart с дополнительными аккумуляторами.
Второй и на мой взгляд самый существенный момент по решению аварийных ситуаций, закрывание зеркал или концентратора от солнца или же его поворачивание от оси фокуса, что выведет концентратор на минимальную мощность простой вакуумной трубки в самый жаркий сезон к примеру, по этому же принцыпу, можно регулировать сумарную мощность концентраторов выводя некоторые из фокуса.Как вариант концентратора из подручного материала см. фото.
У меня есть простой телескоп Celestron PowerSeeker 127 EQ, вот этот, на фотографии выше. Мне его жена на день рождения подарила. Это был довольно спонтанный подарок вроде такого: «я не знаю, что тебе подарить, о смотри магазин, давай зайдем посмотрим». В принципе, я был очень рад такому подарку, штука очень интересная. Однако, за время его использования я понял, что мне хочется большего. У этого телескопа PowerSeeker 127EQ есть ряд существенных конструктивных недостатков о которых я по неопытности просто не догадывался. Основной недостаток — это сферическое главное зеркало и корректирующая линза к нему. Как следствие, переусложненная оптическая схема, неточности посадки корректирующей линзы, которая к тому же не высокого качества. В общем, качество наблюдаемого изображения при таком диаметре зеркала думаю могло быть и получше.
Я задумался о том, что мне нужен другой телескоп. Это нормальная ситуация. Говорят, что какой бы не был у любителя телескоп, он всегда мечтает о лучшем. И тут возникает вопрос: купить или сделать самому? Ответ на самом деле неочевиден. Купить наверняка проще, а может быть и дешевле? Строить самому при отсутствии опыта — сложная техническая задача, не известно получится ли вообще и не понятно будет ли это дешевле, чем просто купить.
Я вступил на скользкую тропу самостоятельного телескопостроения. Далее расскажу о моих первых шагах в этом направлении, но сразу предупреждаю, что пока не ждите прочитать статью с хэппи эндом. Мне до него очень далеко (если вообще он случится).
Итак, начинать нужно с изучения теории.
По моему мнению нет ничего лучше, чем книга «Телескопы для любителей астрономии», Л.Л.Сикорук, 1982 . Несмотря на то, что книге более тридцати лет, более подробного изложения «от и до» я не встречал. Есть еще книга М. С. Навашина "Телескоп астронома-любителя ", 1979. Тоже полезно.
Кроме этих весьма полезных книг, конечно, можно и нужно посещать астрофорумы. например, вот этот . Тут можно и вопрос спросить и почитать, кто, что и как делает.
Последний приют: youtube.com. Может показаться странным, но телескопы по всему миру строят очень многие люди. Некоторые даже ведут видеоблоги и показывают процесс изготовления. Ключевые слова для поиска по ютюбу: mirror grinding.
В целом я бы сказал, что ниша любительского телескопостроения в России кажется абсолютно пустой (но это не точно). В европах и америках есть специальные магазины, которые продают и заготовки к зеркалам (mirror blanks), и шлифовальные порошки, и инструменты и комплекты для изготовления зеркал (teleskope mirror kit).
У нас сейчас, конечно, не 79-й и не 82-й год, но вот где взять заготовку к зеркалу телескопа? Или где взять шлифпорошки? Я нашел несколько оптических заводов, но похоже они абсолютно не заинтересованы в частных заказчиках. Вероятно у них главный заказчик — это государство в лице ВПК. Я хотел купить заготовку зеркала — диск диаметром 200 миллиметров и мне сказали, что он будет стоить около тридцати тысяч без пересылки. Возможно там очень качественное оптическое стекло, а я дилетант просто не понимаю (без иронии, я знаю, что где-то может потребоваться исключительное качество).
Сказать по правде за тридцать тысяч можно уже готовое большое зеркало купить где нибудь в великом Китае.
В общем я решил делать из подручных материалов, как советовал делать Сикорук в своей книге. Подручный материал — это витринное стекло (но некаленое). Мне нужно вырезать несколько дисков из стекла толщиной 10 миллиметров и потом их склеивать жидким стеклом. В своей книге Сикорук пишет и обосновывает необходимую толщину главного зеркала в зависимости от его диаметра.
Эпопея первая. Вырезание заготовки из стекла
Пошел к стекольщику и попросил его вырезать мне прямоугольные куски 10 мм стекла примерно 250х250 миллиметров, но они все должны быть из одного листа, чтобы быть уверенным в одинаковых свойствах всех заготовок.
Пошел в магазин и купил пару алюминиевых кастрюль внутренним диаметром 180 миллиметров. Именно такой я задумал делать телескоп Сказать по правде Сикорук советует делать первый телескоп не более 100 миллиметров и на нем набираться опыта, но нет, мы же умные, делаем сразу 180.
Кастрюля была распилена и к донышку прикручен груз и два торчащих болта.
Это будет фреза.
Далее идет долгий и мучительный процесс изготовления станка для вырезания заготовки. Тут пригодится двигатель от старой стиральной машинки, шкив от нее же, какой-то старый редуктор, куски фанеры, шпильки, гайки и прочая ерунда.
В целом выглядит вот так:
Крышка от кастрюли приклеена к стеклу силиконом и у нее загруты края. Она служит центрирующим элементом для моей фрезы. Фреза, ну то есть пол-кастрюли надевается сверху и приводится во вращение редуктором от мотора.
Работает эта штука вот так (мое видео):
Во время работы под края фрезы нужно постоянно подсыпать абразив. Поработало с абразивом минут пять-семь, абразив источился и перемешался с крошками стекла и алюминия. Смыть старый абразив и насыпать новый. Я потом приловчился делать все это на лету не выключая мотор. Поработало, смыл и тут же ложечкой подсыпал нового абразива.
Вот не очень удачное фото, но видно, на сколько «фреза» погрузилась в толщу стекла:
Абразив я добывал так же, как это делали наши далекие предки во времена мамонтов. У меня был кусок старого шлифовального круга. Я его дробил молотком на наковаленке.
Получившиеся кусочки еще стучал молотком, крошки собирал в баночку — получился грубый абразивный порошок. Конечно, на этом этапе такое дикарство еще допустимо, а вот дальше придется повышать культуру производства.
В итоге, один 180 миллиметровый диск из 10 миллиметрового листа на моем станке выпиливается примерно за три — три с половиной часа. Я вырезал четыре диска:
Мое богатство:
По моему плану я их склею попарно жидким стеклом, края обработаю эпоксидкой, как советует Сикорук, и у меня будет две 180 мм заготовки главного зеркала. Далее я начну их точить и, вероятно, один испорчу. Ну а второй, буду надеяться, что получится.
Я уже приобрел для этой миссии набор шлифпорошков:
А вот дальше начинается уже другая история. Нужно точить. Делается это за несколько этапов: грубая формовка-обдирка, шлифовка и далее полировка. Я честно застрял на этом этапе. Вот несколько иллюстраций из книги «Телескопы для любителей астрономии»:
Обдирка:
Шлифовка:
Типичные ошибки:
К сожалению, несмотря на подробные объяснения в книге Сикорука и из других источников, у меня нет абсолютно точного представления, как это нужно правильно делать. Проблема в том, что нужно исполнить параболу с очень высокой точностью: ошибки, бугры или ямки на главном зеркале должны быть менее 1/8 длины волны света. Точность исполнения параболы должна быть не менее 0,05 мкм.
Вот как пишет Сикорук в своей книге:
Процесс фигуризации и теневых испытаний трудно разделить на составляющие — это единый творческий процесс, где решающую роль часто играют не только знания, но и интуиция. Вообще, этот процесс настолько интересен сам по себе, что автор, например, часто не торопится с окончанием, пробуя работать и так и этак, находя большое удовольствие в процессе фигуризации, хотя, спору нет, вид совершенно плоской теневой картины — зрелище потрясающее.В процессе полировки, по словам Дж. Маттьюсона, «всегда есть элемент мистики». Отчасти это объясняется тем, что процесс полировки во многом недостаточно изучен, но отчасти и тем, что мастеру самому часто хочется немного мистики, когда фигуризация перестает быть просто технологией, а становится в значительной степени искусством. Не зря Д. Д. Максутов говорил, что оптик предпочитает «колдовать» над самодельной смолой полировальника, не доверяя заводской смоле. (Правда, если вам представится возможность приобрести заводскую полировальную смолу, надо это сделать). Нередко успех дела решает творческий порыв, и чтобы для творчества оставалось побольше времени, надо предупредить причины, которые явно приводят к неприятностям.
Получается, что видимо не существует четких методик, по которым нужно действовать, чтобы получить истинную параболу?
На самом деле, конечно, в той же книге Сикорука рассказывается, как контролировать форму зеркала. Для этого нужно сперва построить специальный «теневой прибор». Однако, с помощью этого прибора думаю можно обнаружить зональные ошибки, но абсолютно не понятно, как модифицировать полировальник, чтобы при дальнейшей полировке зональные ошибки выправлялись.
Я пересмотрел множество видеодемонстраций на ютюбе: тут есть и формовка и шлифовка и так называемая «параболизация» магическим штрихом «W».
Вот несколько красочных видео:
Грубая обработка:
Mirror grinding: 200 f/5 fine grinding:
Еще люди строят станки для механической обработки зеркала:
Из всего этого выходит, что каждый делает, как придумает, но как сделать так, чтоб гарантировать результат? Тут есть над чем задуматься…
После довольно долгих раздумий, я решил прежде чем точить нужно попытаться сделать программную модель всего процесса шлифовки. Почему-то мне казалось, что сделать это будет довольно просто. Я подумал, что я буду делать станок для шлифовки, примерно такой, как в последнем видео.
Заготовка зеркала должна медленно вращаться внизу, а сверху возвратно поступательными движениями с помощью кривошипно-шатунного механизма будет двигаться, например, стальное обдирочное кольцо.
Я решил, что программная модель может быть очень простой: нужно посчитать время нахождения каждой точки заготовки зеркала под поверхностью обдирочного кольца. Можно пробовать считать не всю поверхность заготовки, а только один срез-радиус.
Вот это видео сформировано из снимков процесса виртуальной обдирки в моей программе:
Я думал, что подбирая в программной модели длину штриха, длину плечей кривошипно-шатунного механизма (а его движение это далеко не синусоида) я смогу точно сказать, как нужно точить, чтобы выйти на параболу.
К сожалению, должен сказать, что чем дальше я вникаю в проблему, тем больше понимаю, что моя виртуальная программная модель не работает совсем. Я не учитываю слишком многих параметров, которые влияют на скорость стачивания стекла: например, я не учитываю скорость трущихся частей, а она разная в центре и по краям. Потом я пока не учитываю давление обдирочного кольца на заготовку, а это видимо нужно сделать, так как в процессе работы форма заготовки меняется, а значит меняется и распределение сил трения по поверхности заготовки.
Когда я писал эту статью я даже думал здесь целиком привести исходный код своей программы (C/C++), однако, какой в этом смысл, если программа не работает?
В настоящий момент я занялся кардинальным переписыванием своего программного обеспечения и намерен все таки сделать программную модель процесса фигуризации зеркала. Возможно, если все таки у меня это получится, я опубликую свой код.